Введение к работе
Актуальность исследования
Непрерывно возрастающие требования к качеству выпускаемых машин и оборудования связаны с необходимостью повышения их точности и надежности, производительности и коэффициента полезного действия (КПД), которые в значительной мере определяются эксплуатационными свойствами деталей и узлов. Многочисленные исследования показали, что до 80 % случаев выхода из строя машин при эксплуатации происходит из-за износа в сопряжениях узлов трения.
Свыше 60 % изношенных деталей машин могут быть восстановлены, так как их ресурс по прочности и долговечности выше, чем по износостойкости. В настоящее время накоплен большой опыт создания износостойких поверхностей при восстановлении деталей различными способами: наплавки, напыления, электролитическими, электрохимическими, полимерными покрытиями, поверхностным пластическим деформированием (ППД), химико-термической, термомеханической обработкой и др. Одним из приоритетных направлений в ремонтном производстве является максимально эффективное использование остаточного ресурса деталей по долговечности за счет повышения износостойкости восстановленных деталей машин.
Одним из методов повышения износостойкости трущихся поверхностей является изменение их химического состава путем внедрения легирующих компонентов для образования структур, хорошо сопротивляющихся процессам изнашивания. Но ограничивающим фактором при этом является то, что механическая обработка износостойкого наплавленного металла высокой твёрдости в холодном состоянии детали затруднена, так как наплавленный металл обладает высокой истирающей способностью и сопротивлением резанию, что затрудняет снятие стружки, при этом стойкость режущего инструмента оказывается весьма низкой.
В связи с этим актуальным направлением является разработка ресурсосберегающей технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей машин за счет совмещения в единой технологической схеме процессов электродуговой наплавки под слоем легирующего флюса, фрезерования и последующего шлифования еще не остывшего наплавленного слоя металла.
Таким образом, актуальность темы, с одной стороны обусловлена
практической значимостью и перспективностью применения
высокоэффективного ресурсосберегающего метода восстановления изношенных цилиндрических деталей машин, а с другой стороны, недостаточным уровнем развития технологии восстановления.
Целью работы является повышение эффективности восстановления изношенных деталей машин за счет совмещения в единой технологической
схеме процессов наплавки под слоем легирующего флюса с одновременным фрезерованием и последующим шлифованием горячего наплавленного металла. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Исследование величины износа деталей путевых машин, необходимое для прогнозирования толщины наплавляемого слоя металла при их восстановлении.
-
Анализ современных методов нанесения износостойкого поверхностного слоя металла и механической обработки труднообрабатываемых материалов.
-
Разработка эффективной ресурсосберегающей технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей машин на основе совмещения процессов наплавки и механической обработки.
-
Проведение теоретических и экспериментальных исследований величины температурного поля наплавленного металла в зоне шлифования в момент окончания наплавки и фрезерования, а также разработка методики её расчета.
-
Проведение экспериментальных исследований сил резания, возникающих при шлифовании горячего наплавленного металла, стойкости шлифовальных кругов и качества обрабатываемой поверхности детали. Уточнение методики расчета сил резания в зависимости от режимов шлифования.
-
Разработка методики автоматизированного расчета температуры наплавленного металла и сил резания.
-
Исследование влияния температурных условий при механической обработке наплавленного металла на шероховатость, износостойкость и остаточные напряжения поверхностного слоя восстановленной детали.
-
Разработка рекомендаций по практическому применению ресурсосберегающей технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей.
-
Технико-экономическое обоснование целесообразности применения совмещения операций наплавки и механической обработки горячего наплавленного металла при восстановлении изношенных цилиндрических деталей путевых машин.
Предметом исследования является эффективность процесса шлифования горячего наплавленного металла по производительности и качеству получаемого поверхностного слоя детали.
Объект исследования - технологический процесс совмещения в единой технологической схеме процессов электродуговой наплавки с одновременным фрезерованием и последующим шлифованием горячего наплавленного металла.
Методологической базой исследования являются известные подходы и
методы, применяемые для проведения исследований в области технологии
машиностроения: металлографические, статистические, расчётно-
аналитические.
Теоретической базой исследования являются работы учёных в области обработки металлов абразивным инструментом: Г.М. Ипполитова,
П.Е. Дьяченко, И.В. Гребенщикова, А.В. Шубникова, П.А. Ребиндера, Е.Н. Маслова, Л.А. Глейзера, П.И. Ящерицына, А.В. Якимова, B.C. Корсакова, А.И. Исаева, С.Г. Редько, А.В. Подзей, А.А. Маталина, Г.Б. Лурье, В.А. Шальнова, С.Н. Корчака; работы по исследованию физико-механических свойств и выбора рационального способа восстановления: Д.Г. Вадивасова, П.Н. Волкова, Е.Л. Воловика, Н.Ф. Грохольского, В.А. Деева, Н.И. Доценко, Н.И. Иващенко, К.Т. Кошкина, И.В. Кудрявцева, М.П. Мелкова, В.А. Наливкина, Ю.Н. Петрова, В.И. Черноиванова, В.А. Шадричева и многих других.
Эмпирической базой явились исследования производительности шлифования горячего наплавленного металла, шероховатости поверхности, металлографические исследования структуры наплавленного и обработанного металла, величины остаточных напряжений и износостойкости получаемого при этом поверхностного слоя деталей машин.
Методы исследования
Теоретические исследования проводились на базе фундаментальных разработок в области технологии машиностроения, теории шлифования металлов и технологии сварочного производства. Экспериментальные исследования проводились по стандартным методикам в лабораторных условиях, базирующимся на принципах математической статистики, математического и компьютерного моделирования схем процессов. Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью результатов, полученных при теоретических расчетах, с данными экспериментальных исследований.
Научные результаты, выносимые на защиту:
-
Ресурсосберегающая технология восстановления изношенных цилиндрических деталей машин.
-
Эффективность процесса шлифования горячего наплавленного металла.
-
Зависимость сил резания от режимов обработки и характеристик абразивного инструмента при шлифовании горячего наплавленного металла.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния температурных условий при обработке наплавленного металла в горячем состоянии на качество и износостойкость наплавленного металла восстанавливаемой детали.
Научная новизна:
-
Разработана математическая модель расчета температуры наплавленного металла в зоне шлифования в момент окончания процессов электродуговой наплавки и фрезерования.
-
Уточнены эмпирические зависимости расчета сил резания при шлифовании горячего наплавленного металла в зависимости от режимов обработки.
-
Выявлены закономерности влияния температурных условий при фрезеровании и шлифования наплавленного металла на качество и износостойкость поверхностного слоя восстанавливаемых деталей машин.
Теоретическая и практическая ценность работы
Теоретически обоснована, экспериментально подтверждена
эффективность обработки износостойкого наплавленного металла в горячем состоянии. На основании выполненных исследований разработана ресурсосберегающая технология восстановления изношенных цилиндрических деталей путевых машин за счет совмещения в единой технологической схеме процессов наплавки, фрезерования и последующего шлифования горячего наплавленного металла. Разработана математическая модель расчета температуры наплавленного металла в зоне шлифования в момент отключения горения сварочной дуги и отвода фрезы. Получены экспериментальные уравнения для расчета сил резания в зависимости от режимов шлифования при обработке горячего наплавленного металла. Разработана методика автоматизированного расчета температуры наплавленного металла и сил резания при шлифовании в виде блок-схем и программы ЭВМ, позволяющая выбирать рациональные режимы восстановления деталей без трудоёмких и дорогостоящих экспериментальных исследований. Выявлены закономерности влияния режимов обработки на качество и износостойкость поверхности восстановленной детали. Даны практические рекомендации по выбору режимов восстановления изношенных цилиндрических деталей путевых машин. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии для Тихорецкой машинизированной дистанции пути (ГТЧМ-2-Тихорецк) составляет - 765 784,39 руб. Результаты, полученные в работе, имеют практическое значение при решении задач восстановления изношенных цилиндрических деталей машин: выбор рациональных режимов наплавки и шлифования.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Выполненная диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.02.08 - «Технология машиностроения» по следующим областям исследований:
- совершенствование существующих методов обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска;
-технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин.
Апробация и реализация результатов диссертации Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (Санкт-Петербург, Плазмацентр, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2009» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2009 г.); Международной научно-практической конференции
«Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Наука и образование транспорту» (Самара, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2010», «Транспорт 2011», «Транспорт 2012»; Научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии» (Ростов-на-Дону, ВертолЭКСПО, 2012 г.).
Результаты диссертационного исследования внедрены на ПЧМ-1-Новочеркасск и ПЧМ-2-Тихорецк.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается корректным использованием теоретических и научных разработок, проведённых при исследовании эффективности процесса восстановления, и применением современных методик и средств.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературных источников, приложения. Работа содержит 216 листов машинописного текста, 95 рисунков, 36 таблиц, 184 литературных источника, 3 приложения.
Личный вклад автора
Разработана математическая модель расчета температуры наплавленного металла в зоне шлифования в момент окончания процессов электродуговой наплавки и фрезерования; уточнены эмпирические зависимости для расчета сил резания при шлифовании горячего наплавленного металла в зависимости от режимов обработки; выявлены основные закономерности влияния обработки наплавленного металла в горячем состоянии на его качество и износостойкость.
